Звездная кузница: как гамма-всплески создают тяжелые элементы Вселенной

Происхождение тяжелых элементов, таких как уран и плутоний, остается одной из самых сложных нерешенных проблем в современной физике. В статье, опубликованной в The Astrophysical Journal, группа ученых из Лос-Аламосской национальной лаборатории под руководством Мэтью Мампауэра предложила новый механизм их образования, связанный с гамма-всплесками и коллапсирующими звездами. Как отмечает Мампауэр, «Создание тяжелых элементов, таких как уран и плутоний, требует экстремальных условий. В космосе существует всего несколько жизнеспособных, но редких сценариев, в которых могут образовываться эти элементы, и все такие места требуют обильного количества нейтронов».

Ключевым процессом в формировании тяжелых элементов является r-процесс (rapid neutron capture process), который, как считается, ответственен за образование естественного тория, урана и плутония во Вселенной. Однако свободные нейтроны нестабильны (их период полураспада составляет около 15 минут), что делает их доступность в достаточных количествах серьезной проблемой. Новое исследование предлагает решение: нейтроны могут динамически генерироваться в результате взаимодействия высокоэнергетических фотонов из джета гамма-всплеска с веществом умирающей звезды.

Сценарий, предложенный командой, начинается с коллапса массивной звезды, исчерпавшей ядерное топливо. В ее центре образуется быстро вращающаяся черная дыра, чье мощное магнитное поле запускает релятивистскую струю (джет). «Джет прорывается сквозь звезду перед собой, создавая горячий кокон материала вокруг джета, как грузовой поезд, пробирающийся через снег», — поясняет Мэтью Мампауэр. На границе джета и звездного вещества высокоэнергетические фотоны взаимодействуют с атомными ядрами, превращая протоны в нейтроны.

Этот процесс происходит чрезвычайно быстро — за наносекунды, что создает плотный поток нейтронов, необходимых для r-процесса. Поскольку нейтроны не имеют заряда, они выталкиваются из джета в окружающий кокон, где и формируются тяжелые элементы. Этот механизм объединяет ядерную физику, гидродинамику и общую теорию относительности, представляя собой мультифизическую задачу.

Кроме того, предложенная модель может объяснить феномен килоновых — оптических и инфракрасных вспышек, обычно связываемых со слиянием нейтронных звезд. Однако, как отмечают исследователи, «растворение звезд посредством высокоэнергетической фотонной струи предлагает альтернативный источник для производства тяжелых элементов и килоновых», что расширяет возможные сценарии их возникновения.

Интересно, что обнаружение железа и плутония в глубоководных отложениях, имеющих внеземное происхождение, также может быть связано с подобными процессами. Хотя точный источник этих элементов пока не установлен, сценарий коллапсара с высокоэнергетическим джетом представляет собой интригующую гипотезу.

Тем не менее, многие вопросы остаются открытыми. «Тяжелые изотопы, созданные в ходе r-процесса, никогда не производились на Земле», — подчеркивают авторы, что затрудняет изучение их свойств. Для дальнейшей проверки модели команда планирует провести комплексное моделирование, включая микрофизические взаимодействия.

Это исследование не только углубляет понимание нуклеосинтеза, но и имеет значение для энергетики, поскольку изучение редких ядерных процессов может помочь в разработке новых технологий. Таким образом, работа Мампауэра и его коллег открывает новые горизонты в астрофизике, предлагая свежий взгляд на происхождение самых тяжелых элементов во Вселенной.